O menor robô ambulante faz medições em microescala

Pesquisadores da Cornell em física e engenharia criaram o menor robô ambulante já feito. A sua missão: ser suficientemente pequeno para interagir com ondas de luz visível e ainda assim mover-se de forma independente, de modo a poder manobrar para locais específicos – numa amostra de tecido, por exemplo – para obter imagens e medir forças à escala de algumas das estruturas do corpo. menores estruturas.

“Um robô ambulante que é pequeno o suficiente para interagir e moldar a luz de maneira eficaz pega a lente de um microscópio e a coloca diretamente no micromundo”, disse Paul McEuen, professor emérito de ciências físicas John A. Newman na Faculdade de Artes e Ciências (A&S ), que liderou a equipe. “Ele pode realizar imagens de perto de uma forma que um microscópio normal nunca conseguiria.”

O artigo da equipe, “Robótica Difrativa Magneticamente Programada”, foi publicado em Ciênciacom McEuen como autor correspondente. Conrad Smart, pesquisador do Laboratório de Física Atômica e do Estado Sólido (LASSP) de Cornell, e Tanner Pearson, Ph.D. ’22, são os co-primeiros autores do estudo.

Os cientistas da Cornell já detêm o recorde mundial do menor robô ambulante do mundo, com 40-70 mícrons.

Os novos robôs difrativos “vão acabar com esse recorde”, disse Itai Cohen, professor de física (A&S) e coautor do estudo. “Esses robôs têm de 5 a 2 mícrons. Eles são minúsculos. E podemos fazê-los fazer o que quisermos, controlando os campos magnéticos que conduzem seus movimentos.”

A robótica difrativa conecta, pela primeira vez, robôs sem amarras com técnicas de imagem que dependem da difração da luz visível – a curvatura de uma onda de luz quando ela passa através de uma abertura ou ao redor de algo. A técnica de imagem requer uma abertura de tamanho comparável ao comprimento de onda da luz.

Para que a óptica funcione, os robôs devem estar nessa escala, e para que os robôs alcancem os alvos da imagem, eles precisam ser capazes de se mover por conta própria. A equipe Cornell alcançou ambos os objetivos.

Controlados por ímãs que fazem um movimento de pinça, os robôs podem avançar lentamente em uma superfície sólida. Eles também podem “nadar” através de fluidos usando o mesmo movimento.

A combinação de manobrabilidade, flexibilidade e tecnologia óptica subdifrativa cria um avanço significativo no campo da robótica, disseram os pesquisadores.

“Estou realmente entusiasmado com esta convergência de microrobótica e microóptica”, disse o co-autor Francesco Monticone, professor associado de engenharia elétrica e de computação na Cornell Engineering, que projetou os elementos ópticos difrativos e ajudou a equipe a identificar aplicações.

“A miniaturização da robótica finalmente atingiu um ponto em que esses sistemas mecânicos de atuação podem interagir e moldar ativamente a luz na escala de apenas alguns comprimentos de onda – um milhão de vezes menor que um metro.”

Para conduzir magneticamente robôs nesta escala, a equipe modelou os bots com centenas de ímãs em escala nanométrica que têm um volume igual de material, mas dois formatos diferentes – longos e finos, ou curtos e grossos. A ideia, disse Cohen, originou-se do físico Jizhai Cui da Universidade Fudan.

“Os longos e finos precisam de um campo magnético maior para fazer com que apontem para um lado e para o outro, enquanto os curtos e grossos precisam de um campo menor”, disse Cohen. “Isso significa que você pode aplicar um grande campo magnético para alinhá-los todos, mas se aplicar um campo magnético menor, você apenas inverterá os curtos e grossos.”

Os cientistas da Cornell combinaram esse princípio com filmes muito finos inventados no Cornell Nanoscale Science and Technology Facility para criar os robôs.

Um dos principais desafios da engenharia óptica foi descobrir a abordagem mais adequada para três tarefas – ajuste de luz, foco e imagem de super-resolução – para esta plataforma específica, porque “diferentes abordagens têm diferentes compensações de desempenho, dependendo de como o microrobô pode mover-se e mudar de forma”, disse Monticone.

Há uma vantagem em poder mover mecanicamente os elementos de difração para melhorar a imagem, disse Cohen. O próprio robô pode ser usado como classificador de difração ou uma lente difrativa pode ser adicionada. Desta forma, os robôs podem atuar como uma extensão local da lente do microscópio olhando de cima para baixo.

Os robôs medem forças usando o mesmo movimento de pinça acionado por ímã que lhes permite caminhar para empurrar estruturas.

“Esses robôs são molas muito flexíveis. Assim, quando algo os empurra, o robô pode apertar”, disse Cohen. “Isso muda o padrão de difração, e podemos medir isso muito bem.”

A medição de força e as habilidades ópticas podem ser aplicadas na pesquisa básica, como na exploração da estrutura do DNA, disseram os pesquisadores. Ou eles podem ser implantados em um ambiente clínico.

“Olhando para o futuro, posso imaginar enxames de microrobôs difrativos realizando microscopia de super-resolução e outras tarefas de detecção enquanto caminham pela superfície de uma amostra”, disse Monticone. “Acho que estamos apenas arranhando a superfície do que é possível com este novo paradigma que combina engenharia robótica e óptica em microescala.”